Стандартные микросхемы серии ТТЛ

Базовым логическим элементом серий является логический элемент И-НЕ. На рис. 54 приведены схемы трех первоначаль­ных элементов И-НЕ ТТЛ.

Все схемы содержат три основных каскада: входной на транзисторе VT1,реализующий логическую функцию И; фазоразделительный на транзисторе VT2;двух­тактный выходной каскад, выполненный по схеме: составного эмиттерного повторителя VT3, VT4 и насыщаемого транзистора VT5 (рис. 54, а)или повторителя не составного (только транзистор VT3)и насыщаемого транзистора VT5 с введением диода сдвига уровня VD4 (рис. 54, б, в). Два последних кас­када образуют сложный инвертор, реализующий логическую операцию НЕ. Если ввести два фазоразделительных каскада, то реализуется функция ИЛИ-НЕ. На рис. 54, а показан базовый логический элемент серии К131 (зарубежный аналог – 74Н). Базовый элемент серии К155 (зарубежный аналог – 74) показан на рис. 54, б, а на рис. 54, в – элемент серии К134 (зарубежный аналог – 74L). Сейчас эти серии практи­чески не развиваются.

Рис. 54.Принципиальные схемы первоначальных логических элемен­тов ТТЛ;

а – базовый элемент серии KI3I; б – базовый элемент серии К155: в –базовый элемент серии KI34

Микросхемы ТТЛ первоначальной разработки стали актив­но заменяться на микросхемы ТТЛШ, имеющие во внутрен­ней структуре переходы с барьером Шотки.

Рис 55.Пояснение принципа получения структуры с пере­ходом Шотки:

а – ненасыщенный транзисторный ключ; б – транзистор с диодом Шотки,

в – символ транзистора Шотки

В основе тран­зистора с переходом Шотки (транзистора Шотки) лежит известная схема ненасыщенного транзисторного ключа (рис. 55, а). Чтобы транзистор не входил в насыщение, меж­ду коллектором и базой включают диод. Применение диода обратной связи для устранения насыщения транзистора впервые предложено Б. Н. Кононовым. Однако в этом случае U⁰_выхможет увеличиться до 1 В. Идеальным диодом является диод с барьером Шотки. Он представляет собой кон­такт, образованный между металлом и слегка легированным n-полупроводником. В металле только часть электронов явля­ются свободными (те, что находятся вне зоны валентности). В полупроводнике свободные электроны существуют на грани­це проводимости, созданной добавлением атомов примеси При отсутствии напряжения смещения число электронов, пере­секающих барьер с обеих сторон, одинаково, т. е. ток отсут­ствует. При прямом смещении электроны обладают энергией для пересечения потенциального барьера и прохождения в ме­талл. С увеличением напряжения смещения ширина барьера уменьшается и прямой ток быстро возрастает.

При обратном смещении электронам в полупроводнике требуется больше энергии для преодоления потенциального барьера. Для электронов в металле потенциальный барьер не зависит от напряжения смещения, поэтому протекает неболь­шой обратный ток, который практически остается постоянным до наступления лавинного пробоя.

Ток в диодах Шотки определяется основными носителями поэтому он больше при одном и том же прямом смещении а, следовательно, прямое падение напряжения на диоде Шотки меньше, чем на обычном р – n-переходе при данном токе. Таким образом, диод Шотки имеет пороговое напряжении открывания порядка (0,2...0,3) В в отличие от порогового напряжения обычного кремниевого диода 0,7 В и значительно снижает время жизни неосновных носителей в полупроводнике.

В схеме рис. 55, б транзистор VT1 удерживается от перехода в насыщение диодом Шотки с низким порогом откры­вания (0,2...0,3) В, поэтому напряжение U⁰_выхповысится мало по сравнению с насыщенным транзистором VT1. На рис. 55, в показана схема с «транзистором Шотки». На основе транзисторов Шотки выпущены микросхемы двух основных серий ТТЛШ (рис. 56).

На рис. 56, а показана схема быстродействующего логического элемента, применяемого как основа микросхем серии К531 (зарубежный аналог – 74S), [S – начальная буква фами­лии немецкого физика Шотки (Schottky)]. В этом элементе в эмиттерную цепь фазоразделительного каскада, выполненного на транзисторе VT2, включен генератор тока – транзистор VT6 с резисторами R4 и R5. Это позволяет повысить быстродей­ствие логического элемента. В остальном данный логический элемент аналогичен базовому элементу серии К131. Однако введение транзисторов Шотки позволило уменьшить t_зд.р вдвое.

Рис. 56.Принципиальные схемы логических элементов ТТЛШ с переходом Шотки:

а – базовый элемент серии К531; б – базовый элемент серии К555

На рис. 56, б показана схема базового логического элемента серии К.555 (зарубежный аналог – 74LS). В этой схеме вместо многоэмиттерного транзистора на входе использована матрица диодов Шотки. Введение диодов Шотки исключает накопление лишних базовых зарядов, увеличивающих время выключения транзистора, и обеспечивает стабильность времени переключения в диапазоне температур.

Резистор R6 верхнего плеча выходного каскада создает необходимое напряжение на базе транзистора VT3 для его открывания. Для уменьшения потребляемой мощности, когда логический элемент закрыт (U¹_вых), резистор R6 подключен не к общей шине, а к выходу элемента.

Диод VD7, включенный последовательно с R6 и парал­лельно резистору коллекторной нагрузки фазоразделительного каскада R2, позволяет уменьшить задержку включения схемы за счет использования части энергии, запасенной в емкости нагрузки, для увеличения тока коллектора транзистора VT1 в переходном режиме.

Транзистор VT3 реализуется без диодов Шотки, т. к. он работает в активном режиме (эмиттерный повторитель).